авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Повышение достоверности результатов диагностирования газотурбинных двигателей сцинтилляционным методом с целью снижения рисков возникновения чрезвычайных ситу

-- [ Страница 2 ] --

Вторая Всесоюзная конференция по новым методам спектрального анализа и их применениям (Иркутск, 1981г.); IX Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы (Фрунзе, 1983г.); ХIX Всесоюзный съезд по спектроскопии (Томск, 1983г.); III Региональная конференция. Аналитика Сибири 90 (Иркутск, 1990г.); XIV Всесоюзное Черняевское совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов (Новосибирск, 1989г.); II Всесоюзное совещание «Высокочастотный разряд в волновых полях» (Куйбышев, 1989г.); V Конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Новосибирск, 1996г.); III Сессия научно-технического совещания «Получение, исследование и применение плазмы в СВЧ полях». (Иркутск, 1989г.); Международная научно-практическая конференция «САКС-2001» (Красноярск, 2001г.); XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий (Миасс, 2004г.); JOAP international condition monitoring Conference. Mobile (Alabama, 1998г.); Материалы международной научно-практической конференции «Славянтрибо-7а», (Рыбинск Санкт-Петербург, 2006г.); I Всероссийская конференция «Аналитические приборы». (С-Петербург, 2002г.); COMADEM-97. X International Congress and Exhibition on Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management. 1997г.; Первая международная конференция «Энергодиагностика». (Москва, 1995г.); Энергодиагностика и Condition Monitoring (Нижний Новгород, 2001г.); Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2006г.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, изложена на 326 страницах машинописного текста, в том числе: таблиц 62, рисунков 64. Библиография включает 156 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность повышения уровня безопасности эксплуатации газотурбинных двигателей воздушных судов и эффективности их применения на основе предупреждения отказов ГТД; дана краткая характеристика работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе на основании анализа и обобщения данных по аппаратурно-методическому обеспечению контроля и диагностике технического состояния элементов конструкции ГТД, омываемых смазочным маслом, по параметрам частиц повреждаемых деталей установлены причины низкой достоверности диагностических результатов.

На достоверность диагностических результатов влияют:

1. Систематические погрешности при атомно-эмиссионных и рентгенофлуоресцентных измерениях. Это связано с тем, что величина аналитического сигнала зависит от вида распределения частиц по размерам в анализируемой пробе. Поэтому градуирование спектрометров любыми однотипными стандартными образцами (СО) (Conostan, СО на частицах окислов металлов, СО на ионной основе и т.д.) может приводить к значительным погрешностям при измерении содержания металлической примеси.

2. Изменение вида функции распределения частиц повреждаемых деталей по размерам при интенсификации процессов повреждения. Для обоих спектральных способов характерно резкое снижение чувствительности (наклона) градуировочного графика при увеличении размеров частиц повреждаемых деталей. Для атомно-эмиссионного способа эти влияния существенны при размерах частиц в несколько микрометров, для рентгенофлуоресцентного 15-20 мкм.

3. Недостаточные пределы обнаружения. Значение пределов обнаружения при «прямых» атомно-эмиссионных измерениях содержания железа и меди в пробах масел при использовании спектрометров МФС-7, МОА, Spectoil и т.д. составляет порядка 1 г/т и является предельным. Резервы по снижению пределов обнаружения при подаче пробы вращающимся электродом в угольную дугу исчерпаны. Необходимо дальнейшее снижение пределов обнаружения, которое возможно лишь при замене угольной дуги безэлектродным источником возбуждения спектров и изменением схемы выделения и регистрации сигнала.

Использование предварительного концентрирования пробы масла в рентгенофлуоресцентном анализе позволяет получать пределы обнаружения, достаточные для определения легирующих компонент. Однако влияния, связанные с видом распределения частиц по размерам, не устраняются. В методике измерения обязательно должны учитываться все факторы, от которых зависит величина осадка на фильтре и, соответственно, правильность измерения содержания металлической примеси: тип двигателя, вид повреждения, марка используемого масла и пористость фильтра.

4. Недостаточный объем диагностической информации. Измеряется только величина содержания металлической примеси. Параметр «содержание» является, возможно, необходимым, но недостаточным признаком при оценке технического состояния элементов конструкции ГТД, омываемых смазочным маслом. Определение величины содержания металлов в пробе масла даже с высокой точностью не гарантирует достоверной оценки технического состояния двигателя.

5. Отсутствие информации о параметрах частиц износа, накапливаемых на основном маслофильтре. Достоверность диагноза технического состояния двигателя существенно повышается, если одновременно учитываются параметры частиц в пробе масла и параметры частиц, накапливаемых на основном маслофильтре.

Анализ и обобщение результатов исследований в области разработки диагностической аппаратуры показал, что наиболее перспективным направлением в разработке новой диагностической аппаратуры, обеспечивающей повышение достоверности диагноза и, соответственно, повышение уровня безопасности эксплуатации газотурбинных двигателей воздушных судов и эффективности их применения, является атомно-эмиссионный спектрометр с использованием сцинтилляционного принципа выделения аналитического сигнала.

Во второй главе приведены результаты исследований по разработке основных теоретических положений создания диагностической аппаратуры нового поко­ления с использованием спектрального атомно-эмиссионного сцинтилляционного способа оценки параметров металлических частиц, отделяемых от повреждаемых деталей в процессе эксплуатации.

Установлено, что источник возбуждения спектров при анализе проб масел должен обеспечивать:

- отсутствие в собственном спектре источника линий анализируемых элементов, т.е. источник должен быть безэлектродным;

- 100 % вхождение частиц износа в плазму;

- возможность использования в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха.

Для подтверждения разработанных теоретических положений проводились экспериментальные исследования по установлению закономерностей течения плазменного газа и траекторий движения частиц с цилиндрическими разрядными камерами с аксиальным и тангенциальным способами стабилизации разряда.

Плазма в разрядных камерах зажигалась и поддерживалась с помощью СВЧ-генератора с частотой 2375 мГц мощностью 2,5 кВт.

На основании известных фундаментальных положений разработана математическая модель газодинамического течения при условии, что газ является вязкой сжимаемой жидкостью, обладающей тепло- и электропроводностью. Распределение температуры в области ядра плазмы задавалось по результатам экспериментальных измерений, в результате чего из уравнений теплового баланса исключался источниковый член, описывающий поглощение СВЧ-мощности.

В цилиндрической системе координат математическая модель имеет вид

(1)

где , аксиальная и радиальная компоненты газовой скорости; P, H давление и энтальпия плазмообразующего газа; z и r-текущие координаты; теплопроводность; С теплоемкость; плотность; вязкость.

Система уравнений замыкалась соотношениями

= (Т), С = С(Т), = (Т), = (Т), (2)

определяющими зависимость теплопроводности , теплоемкости С, плотности и вязкости газа от температуры.

Распределение температуры в области ядра плазмы задавалось по результатам экспериментальных измерений, полученных методом Орнштейна.

Решение уравнений проводилось численным методом в независимых переменных напряженности вихря и функции тока

, (3)

.

Граничные условия устанавливались в зависти от конструкции плазмотрона и особенностей ввода газа:

1. Исходя из условий непротекания, функция тока на стенках разрядной камеры принимает постоянное значение, равное соответствующему расходу газа. Энтальпия H на стенках принимает постоянное значение, соответствующее температуре стенок.

2. Во входных сечениях газовых вводов граничные условия задавались из решения одномерных уравнений движения и энергии, которые при постоянной по сечению температуре переходят в закон Пуазейля.

3. На оси симметрии (r = 0) все величины достигают экстремальных значений

, , .

4. В выходном сечении задавались условия свободного развития потока, т.н. «мягкие» граничные условия

.

Решение дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных проводилось методом сеток. На область интегрирования набрасывалась произвольная сетка, и решение искалось в ее узлах. В этом случае дифференциальные уравнения заменялись соответствующими им алгебраическими уравнениями. Такие замены происходят с определенной погрешностью. Но при уменьшении шага сетки погрешность стремится к нулю, а решение приближается к точному.

Задача взаимодействия мелкодисперсного порошка с СВЧ-плазмой решалась в приближении одиночных сфер. Частицы представлялись сферами, которые испытывали силу вязкого трения о газ и нагревались за счет потока тепла через поверхность.

Уравнения в форме законов сохранения количества движения, внутренней энергии частицы и ее массы определялись в виде системы уравнений

(4)

здесь время; , координаты частицы; , проекции скорости частицы на ось и ; , , , проекции импульса; полная энергия частицы; масса; s плотность частицы; площадь поверхности частицы; компоненты газовых скоростей в точке, где находится частица; модуль относительной скорости; коэффициент лобового сопротивления, поток тепла через поверхность частицы, , – поток тепла за счет разности температур газа и частицы; ; D коэффициент диффузии, C концентрация пара на бесконечности, Ps давление насыщенных паров, , наивероятнейшая скорость движения молекул, .

В выражениях, приведённых выше, величины и константы имеют значения: диаметр частицы, , – число Рейнольдса, , степень черноты вещества частицы, определенное по энтальпии , температура газа в точке, где находится частица, коэффициент теплоотдачи, , число Нуссельта, характеризующее среднюю интенсивность теплообмена между частицей и газом, , где число Прандталя .

Зависимость энтальпии от температуры, температуры от энтальпии определялась из соотношения

(5)

где LП скрытая теплота плавления.

Разработанная система уравнений позволила построить эффективный численный алгоритм расчета траектории движения частицы в плазмотроне при изменении ее массы.

Известно, что получение безэлектродной СВЧ-плазмы возможно при тангенциальном, вихревом способе стабилизации разряда. Однако при введении частиц в плазму, стабилизированную вихревым потоком, существует явление выбрасывания их инерционными силами из разряда на стенки разрядной камеры, что приводит к налипанию частиц на стенки камеры, нестабильности разряда и его тушению.

Решение системы уравнений (1) с учетом закрутки показало, что при тангенциальной

подаче плазмообразующего газа в СВЧ-разрядной камере циклонного типа (рис.1) формируется возвратное закрученное течение. В начальном сечении, где осуществляется подача анализируемых частиц, распределение окружной скорости подчиняется закону вынужденного вихря , т.е. газ вращается как целое. При движении вверх против потока воздуха за счет торможения о стенки разрядной камеры вынужденный вихрь постепенно переходит в свободный, с распределением скорости . В промежуточных сечениях распределение окружной скорости имеет комбинированный вид: возле стенки разрядной камеры преобладает свободный вихрь, а возле оси вынужденный вихрь.

На основании математического моделирования установлено:

Использование разрядной камеры циклонного типа позволяет получить стабильную СВЧ-плазму, не загрязненную посторонними элементами, а выбором подходящей степени крутки можно добиться полного вхождения исследуемых частиц металла в высокотемпературную область плазмы.

Для оценки влияния температуры СВЧ-плазмы и траекторий движения частиц на характеристики нагрева проведены тщательные экспериментальные исследования по регистрации сцинтилляционных сигналов от частиц металла известной массы.

При экспериментальных исследованиях использовались приготовленные по специально разработанной технологии частицы размером от 100 мкм до 40 мкм, измеренные с точностью ±2 мкм, а также частицы от 40 мкм до 5 мкм, отобранные с точностью ±1 мкм.

Каждой введенной в СВЧ-плазмотрон частице соответствовал один сцинтилляционный импульс во всем интервале размеров используемых частиц. Не регистрировалось ни «множественности» для крупных частиц, означающей превышение числа зарегистрированных импульсов над числом частиц, введенных в спектральный источник, ни «потерь» импульсов для мелких, отмечаемых ранее в работах по спектральному анализу.

Разброс значений импульсов, получаемых от частиц одного класса крупности, был значительным (рис.2). Форма распределений указывает на отсутствие строго детерминированной связи между входным и выходным сигналами. При этом наиболее правильными являются результаты, полученные при использовании источника с передаточной функцией, по форме наиболее близкой (в идеале) к дельта-функции, а реально к нормальному распределению с наименьшей дисперсией.

 Гистограммы распределения-69

Рис. 2. Гистограммы распределения сцинтилляционных сигналов в зависимости от площади импульсов (S) и искусственных частиц различных размеров: (1) dэфф. = 6 мкм, (2) dэфф. = 10 мкм, (3) dэфф. = 32 мкм, (4) dэфф. = 45 мкм

Полученные экспериментальные зависимости величины параметров сцинтилляционных импульсов от массы частиц показали, что абсолютный предел сцинтилляционного обнаружения соответствует частицам с размером dэфф. 2-3 мкм, а пропорциональная зависимость между сцинтилляционным сигналом и испарившейся массой частицы сохраняется до размеров dэфф. 5560 мкм.

Таким образом, теоретические исследования, результаты численного анализа и экспериментальные исследования позволили установить новые положения для сцинтилляционного способа анализа:

- возможность получения безэлектродной СВЧ-плазмы, обеспечивающей 100% вхождения частиц в плазму при тангенциальном способе стабилизации разряда с использованием разрядной камеры циклонного типа;

- отсутствие эффекта «потери» и «множественности» частиц;

- распределение сцинтилляционных сигналов не повторяет форму распределения масс частиц вследствие пространственной неоднородности плазмы;

- условия пропорциональной зависимости между сцинтилляционным сигналом и испарившейся массой частиц в воздушной СВЧ-плазме атмосферного давления наблюдаются до dэф 55-60 мкм.

В третьей главе представлены теоретические и экспериментальные результаты исследований по способам раздельной регистрации фоновой и импульсной составляющих аналитического сигнала при сцинтилляционных измерениях и влиянию передаточной функции источника возбуждения спектров на сцинтилляционный сигнал.

В общем виде выражение для сцинтилляционного сигнала определялось как

. (6)

Первое слагаемое описывает часть сигнала, формируемого равномерно распределенной примесью, второе сигнал от дискретной примеси, третье шумовую составляющую. Шумовая составляющая формируется шумами аппаратуры и представляет гауссовский процесс, который приводит к общему поднятию фона и характеризуется своим средним значением и дисперсией.

В реальной ситуации сигналы от частиц примеси часто перекрываются. В этом случае для них не выполняется принцип сцинтилляции, поэтому они также формируют гауссовский случайный процесс. Задача регистрации сцинтилляционного сигнала заключается в выделении заметных импульсов на общем шумовом фоне.

С учетом вышесказанного второе слагаемое в выражении (7) можно представить в виде

, (7)

где представляет совокупность мелких перекрывающихся импульсов,

отдельные не перекрывающиеся импульсы.

Второе слагаемое в (7) описывает импульсный случайный процесс, выделение которого и составляет основную задачу сцинтилляционной регистрации.

Исследования показали, что сцинтилляционный сигнал представляет сумму двух случайных сигналов:



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.